Det är nu möjligt att 3-D-printa extremt trögflytande material, med konsistensen av lera eller kakdeg med fin precision, tack vare arbete utfört vid Purdue University. Denna utveckling kan snart möjliggöra skapandet av skräddarsydd keramik, fasta raketer, läkemedel, biomedicinska implantat, livsmedel, och mer.

"Det är väldigt spännande att vi kan trycka material med konsistenser som ingen har kunnat skriva ut." säger Emre Gunduz, biträdande forskarprofessor vid Högskolan för maskinteknik. "Vi kan 3D-printa olika texturer av mat; biomedicinska implantat, som tandkronor gjorda av keramik, kan anpassas. Apotek kan 3-D-printa personliga läkemedel, så en person behöver bara ta ett piller, istället för 10."

Genom att applicera ultraljudsvibrationer med hög amplitud på själva 3D-skrivarens munstycke, Purdue-teamet kunde lösa ett problem som har förvirrat tillverkarna i flera år.

De flesta föreslagna lösningar på detta problem innebär att man ändrar sammansättningen av själva materialen, men Purdue-teamet tog ett helt annat tillvägagångssätt.

"Vi fann att genom att vibrera munstycket på ett mycket specifikt sätt, vi kan minska friktionen på munstycksväggarna, och materialet bara slingrar sig igenom, " säger Gunduz.

Purdue-teamet har kunnat skriva ut föremål med 100 mikron precision, vilket är bättre än de flesta 3D-skrivare på konsumentnivå, samtidigt som höga utskriftshastigheter bibehålls.

"Den vanligaste formen av 3D-utskrift är termoplastisk extrudering, " säger Gunduz. "Det brukar vara tillräckligt bra för prototyper, men för faktisk tillverkning, du måste använda material med hög hållfasthet, som keramik eller metallkompositer med en stor andel fasta partiklar. Prekursorerna för dessa material är extremt trögflytande, och vanliga 3-D-skrivare kan inte deponera dem, eftersom de inte kan tryckas genom ett litet munstycke."

Det är svårt att visualisera 3D-utskriftsprocessen, eftersom materialen som används är ogenomskinliga och ytorna är dolda inuti munstycket. Så laget reste till Argonne National Laboratory, utanför Chicago, för att utföra höghastighetsmikroskopisk röntgenavbildning. De kunde se inuti munstycket och exakt mäta flödet av det lerliknande materialet för första gången.

"Resultaten var verkligen slående, " säger Gunduz. "Ingen har någonsin karakteriserat ett trögflytande flöde genom en kanal på detta sätt. Vi kunde kvantifiera flödet, och förstå hur vår metod faktiskt fungerade."

Forskningen bedrivs vid Purdues Zucrow Labs, det största akademiska framdrivningslabbet i världen. Som sådan, den första praktiska tillämpningen som undersöks är för fast raketbränsle.

"Fast drivmedel börjar mycket trögflytande, som konsistensen av kakdeg, säger Monique McClain, en Ph.D. kandidat i Purdues School of Aeronautics and Astronautics. "Det är väldigt svårt att skriva ut eftersom det härdar med tiden, och det är också väldigt känsligt för temperatur. Men med denna metod, vi kunde faktiskt skriva ut strängar av fast drivmedel som brann jämförbart med traditionellt gjutna metoder."

McClain testade förbränningen genom att skriva ut två centimeters prover, tända dem i ett högtryckskärl (upp till 1, 000 pund per kvadrattum) och analysera slowmotion-video av bränningen.

För fasta raketbränslen, 3-D-utskrift erbjuder möjligheten att anpassa geometrin hos en raket och modifiera dess förbränning. "Vi kanske vill att vissa delar brinner snabbare eller långsammare, eller något som brinner snabbare i mitten än på utsidan, " säger McClain. "Vi kan skapa det här mycket mer exakt med den här 3D-utskriftsmetoden."